DE102009019265A1

DE102009019265A1 - Verfahren zur Steuerung eines Durchlauferhitzers

Info

Publication number: DE102009019265A1
Application number: DE102009019265A
Authority: DE
Inventors: Wilfrid Bächer; Frank Göltenboth; Jochen Gussmann; Armin Startz
Original assignee: WMF Group GmbH
Current assignee: WMF Group GmbH
Priority date: 2009-04-28
Filing date: 2009-04-28
Publication date: 2010-11-11
Also published as: KR20120027184A; WO2010124942A2; EP2425185A2; EP2425185B1; CN102422096A; WO2010124942A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation der Anlauftemperatur eines Durchlauferhitzers (1) insbesondere für ein Blankheitsdrahtsystem umfassende Getränkeautomaten, bei dem unter Berücksichtigung der Zulauftemperatur und einer verbleibenden Restmenge an Flüssigkeit, die nach jeder Flüssigkeitsabgabe in dem Heizkanalabschnitt (3) oder in einer Ablaufleitung verbleibt, eine durch den Durchlauferhitzer (1) strömende Flüssigkeit auf eine gewünschte Solltemperatur aufgeheizt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vergleichmäßigung eines Anlaufverhaltens, insbesondere einer Flüssigkeitsausgabetemperatur, eines Durchlauferhitzers, insbesondere mit einem Blankheizdrahtsystem in einem Getränkeautomaten.
Auch mit seiner geringen Wärmekapazität unterliegt ein Durchlauferhitzer auf Basis eines Blankdrahtheizsystems einem Anlaufverhalten. Bei erstmaligem Einschalten herrscht zum Beispiel in dem gesamten Durchlauferhitzer dieselbe Temperatur. Bei einer wiederholten Flüssigkeitsentnahme ist an einem Eingang des Durchlauferhitzers eine Zulauftemperatur und an einem Ausgang des Durchlauferhitzers eine Auslauftemperatur der vorhergegangenen Flüssigkeitsentnahme zu messen. Somit sind die folgenden Flüssigkeitsentnahmen in ihrem Temperaturprofil anders als eine erste Flüssigkeitsentnahme. Um zu erreichen, dass der Durchlauferhitzer von Anfang an die Flüssigkeit in der gewünschten Solltemperatur liefert, kann man vor einem Starten einer Pumpe zeitversetzt das Blankheizdrahtsystem einschalten. Dabei kann es allerdings zu einem Überschwingen kommen, wodurch sich zum Beispiel bei der Flüssigkeitsentnahme überhitztes Wasser durch ein starkes Verdampfen entspannt. Des Weiteren sind andere Heizsysteme denkbar, bei denen erst ab einem bestimmten Wasserfluss das Heizsystem zugeschaltet wird. Zu Beginn der Flüssigkeitsentnahme ist die Flüssigkeit kalt. Solche Heizsysteme heizen erst mit ihrer vollen Leistung, wenn der Wasserfluss einen gewissen Schwellwert überschreitet. Wird der Schwellwert unterschritten, ist und bleibt das Heizsystem abgeschaltet.
Nachteilig an den bekannten Systemen ist, dass sich folgende Flüssigkeitsentnahmen im Temperaturprofil von einer ersten Flüssigkeitsentnahme unterschei den, wodurch der Durchlauferhitzer ein jeweils unterschiedliches Anlaufverhalten aufweist. Aufgrund dieses unterschiedlichen Anlaufverhaltens des Durchlauferhitzers kann ein Abweichen vom Sollwert sowohl einer Mischungstemperatur als auch einer Durchlauftemperatur auftreten.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, ein Verfahren für einen Durchlauferhitzer, insbesondere für den Einsatz in Getränkeautomaten anzugeben, das sich insbesondere durch eine Kompensation des Anlaufverhaltens des Durchlauferhitzers auszeichnet.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, das Anlaufverhalten des Durchlauferhitzers unter Berücksichtigung oder Annahme einer Zulauftemperatur und einer nach jeder Flüssigkeitsentnahme in einem Heizkanalabschnitt und einem Ablaufkanalabschnitt verbleibenden Restmenge an Flüssigkeit zu kompensieren. Dies kann auf verschiedene Arten erfolgen und abhängig davon, für welchen Zweck der Durchlauferhitzer eingesetzt wird. So ist es zum Beispiel bei der Entnahme eines Glases Wasser zum Brühen von Tee wichtig, dass die Mischtemperatur in der Tasse eine gewünschte Solltemperatur aufweist, wobei der Temperaturverlauf zur Erreichung dieser Mischtemperatur in der Tasse von geringer Bedeutung ist. Beim Brühen von einem Espresso ist der gewünschte Sollwert der Durchlauftemperatur ab Beginn der Brühung einzuhalten. Mit vorliegender Erfindung gelingt es sowohl für die Durchlauftemperatur als auch für die Mischtemperatur die geforderten Temperatursollwerte einzuhalten, da das Anlaufverhalten des Durchlauferhitzers berücksichtigt und gegebenenfalls ausgeglichen wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist es möglich, ausgehend von jedem beliebigen Ausgangsbetriebszustand des Durchlauferhitzers, den gewünschten Temperatursollwert sowohl einer Durchlauftemperatur als auch der Mischtemperatur zu erreichen. So soll zum Beispiel direkt nach dem Einschalten, während eines Dauerbetriebs oder nach einer Standzeit, in der der Durchlauferhitzer zwar eingeschaltet ist, aber dem Durchlauferhitzer keine Flüssigkeit entnommen worden ist, die Flüssigkeit in der gewünschten Solltemperatur entnehmbar sein. Dies ist möglich, wenn die den Durchlauferhitzer durchströmende Flüssigkeit am Anfang der Flüssigkeitsentnahme über ein Ventil und eine Rücklaufleitung solange dem Durchlauferhitzer wieder rückgeführt wird, bis eine gewünschte Starttemperatur erreicht ist. Diese Variante eignet sich besonders gut sowohl zum Erreichen des Sollwertes der Durchlauftemperatur als auch des Sollwertes der Mischtemperatur. Auch wird in diesem Fall im Gegensatz zu Ausführungsformen, bei denen ein Ablaufkanalabschnitt und ein Heizkanalabschnitt nach jeder Flüssigkeitsentnahme mit Flüssigkeit, insbesondere mit kalter Flüssigkeit, gespült wird, welches nach der Spülung verworfen wird, infolge der Rückleitung der Flüssigkeit in den Durchlauferhitzer keine Flüssigkeit verschwendet.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, um den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch:
1 einen Durchlauferhitzer mit einer Rückführungsleitung,
2 mehrere korrespondierende Diagramme eines Aufheizvorganges einer definierten Flüssigkeitsmenge,
3 einen Heizkanal des Durchlauferhitzers mit mehreren Heizsegmenten und Temperatursensoren.
Entsprechend der 1, umfasst eine vorteilhafte Ausführungsform eines Durchlauferhitzers 1 eine Pumpe 2, einen Heizkanalabschnitt 3 und ein Ventil 4, wie z. B. ein Dreiwegeventil. Eine Zulaufleitung führt über einen ersten Zulaufleitungsabschnitt 5 in die Pumpe 2 und weiter über einen zweiten Zulaufleitungsabschnitt 6 in den Heizkanalabschnitt 3. Eine Ablaufleitung führt mit einem ersten Ablaufleitungsabschnitt 6 von dem Heizkanalabschnitt 3 in das Ventil 4. Über einen sich stromab des Ventils 4 anschließenden zweiten Ablaufleitungsabschnitt 8 ist es möglich, dem Durchlauferhitzer 1 Flüssigkeit zur weiteren Verwendung zu entnehmen. Über einen Auslauf 9 kann man den Durchlauferhitzer 1 mit Flüssigkeit spülen, wobei die Flüssigkeit über den Auslauf 9 in z. B. einen Abfluss einleitbar ist.
Um unabhängig von einer Ausgangsbetriebsbedingung, beispielsweise einem zweiten Starten des Durchlauferhitzers 1, eine stets gleiche Solltemperatur zu erhalten, wird eine nach jeder Flüssigkeitsentnahme in dem Heizkanalabschnitt 3 und/oder im Ablaufkanalabschnitt verbleibende Restmenge an Flüssigkeit bei einem nachfolgenden Aufheizvorgang berücksichtigt wird. Dies kann wie nachfolgend beschrieben erreicht werden:
Beispielsweise wird bei einer nicht eingeschalteten Heizeinrichtung 10 des Heizkanalabschnitts 3 dieser, die sich daran anschließende Ablaufleitung und das Ventil 4 mit einer kalten, insbesondere die Zulauftemperatur aufweisenden Flüssigkeit gespült oder bei der eingeschalteten Heizeinrichtung 10 der Heizkanalabschnitt 3, die Ablaufleitung und das Ventil 4 mit einer aufgeheizten Flüssigkeit gespült. Für den Fall, dass eine Spülung des Durchlauferhitzers 1 über den Auslauf 9 erfolgt, wird der Flüssigkeitsverbrauch erhöht, da die Spülflüssigkeit in einen Abfluss eingeleitet wird.
Erfolgt dagegen der Spülvorgang nicht über den Auslauf 9, sondern über eine Rücklaufleitung 11, die in den ersten Zulaufleitungsabschnitt 5 mündet, kann die Flüssigkeit dem Durchlauferhitzer 1 zurück geführt werden, so dass bei dieser Ausführungsform keine Flüssigkeit verschwendet wird und man die Flüssigkeit solange zirkulieren lassen kann, bis eine gewünschte Solltemperatur am zweiten Ablaufleitungsabschnitt 8 erreicht ist. Eine solche Ausführungsform kann sowohl zur Einstellung einer Mischtemperatur herangezogen werden oder auch bei einem Heizvorgang, bei dem es ab dem ersten Moment auf eine exakte Temperaturführung ankommt, wie zum Beispiel bei der Zubereitung von Espresso.
In einer weiteren Ausführungsform wird der Durchlauferhitzer 1 bei nicht aktiver Heizeinrichtung 10 des Heizkanalabschnitts 3 mit Flüssigkeit gespült, entweder über den Auslauf 9 oder über die Rücklaufleitung 11. Diese Ausführungsform eignet sich für einen Durchlauferhitzer 1, mit dem unabhängig von vorhergehenden Dosierungen ein stets gleicher Ausgangszustand hergestellt werden soll. Aufbauend darauf kann beispielsweise wie in 3 dargestellt ein gewünschter Gradient im Durchlauferhitzer 1 hergestellt werden.
Ein zeitlicher Verlauf einer Flüssigkeitsentnahmetemperatur 12 der Flüssigkeit in dem zweiten Ablaufleitungsabschnitt 8 ist zusammen mit einem zeitlichen Verlauf einer Heizleistung 13 und einem zeitlichen Verlauf einer Flüssigkeitsentnahmemenge 14 in mehreren Diagrammen 15, 16, 17 gemäß der 2 dargestellt. Dabei sind ein Flüssigkeitsentnahme-Temperatur-Zeit-Diagramm 15, ein Heizleistungs-Zeit-Diagramm 16 und ein Flüssigkeitsentnahme-Zeit-Diagramm 17 übereinander und korrespondierend über eine gemeinsame Zeitachse 18 vergleichbar dargestellt. Zum einem Startzeitpunkt 19 (t₁) einer Flüssigkeitsentnahme wird zeitgleich zum Einschalten der Pumpe 2 die Heizeinrichtung 10 eingeschaltet, wie dem Heizleistungs-Zeit-Diagramm 16 zu entnehmen ist. Ist eine gewünschte Menge 20 an Flüssigkeit ausgegeben worden, so stoppt zu einem Endzeitpunkt 21 (t₂) der Flüssigkeitsentnahme die Pumpe 2 und zeitgleich dazu wird die Heizeinrichtung 10 gemäß dem Heizleistungs-Zeit-Diagramm 16 ausgeschaltet. Dem Flüssigkeitsentnahme-Temperatur-Zeit-Diagramm 15 ist zu entnehmen, dass die Flüssigkeitsentnahme-Temperatur 12 zwischen einer maximalen Flüssigkeitsentnahme-Temperatur 22 und einer minimalen Flüssigkeitsentnahme-Temperatur 23 schwankt. Dies kommt dadurch zustande, dass die Heizeinrichtung 10 nur bis zu einer bestimmten Temperatur, nämlich der maximalen Flüssigkeitsentnahmetemperatur 22, aufgeheizt werden darf, damit keine Überhitzung eintritt und eine damit einhergehende Beschädigung der Heizeinrichtung 10 vermieden wird. Dazu wird die Heizeinrichtung 10 immer ab Erreichen der maximalen Flüssigkeitsentnahmetemperatur 22 ausgeschaltet und wieder eingeschaltet, wenn ein unterer Schwellwert der Flüssigkeitsentnahmetemperatur 12, die minimale Flüssigkeitsentnahmetemperatur 23 erreicht ist. Dies führt dazu, dass immer dann, wenn eine Flüssigkeitsentnahme-Temperatur-Zeitkurve 24 des Diagramms 15 die maximale Flüssigkeitsentnahmetemperatur 22 in mehreren Kurvenpunkten 25, 25', 25'' erreicht, die Heizeinrichtung 10, wie dem Heizleistungs-Zeit-Diagramm 16 entnommen werden kann, ausgeschaltet wird. Erreicht die Flüssigkeitsentnahme-Temperatur-Zeitkurve 24 die minimale Flüssigkeitsentnahmetemperatur 23, wie in den Kurvenpunkten 26, 26', 26'', wird die Heizeinrichtung 10 solange wieder eingeschaltet, bis die Flüssigkeitsentnahme- Temperatur-Zeitkurve 24 wieder die maximale Flüssigkeitsentnahmetemperatur 22 erreicht hat. Dies wiederholt sich so oft, bis der Endzeitpunkt 21 (t₂) der Flüssigkeitsentnahme erreicht und die gewünschte Menge 20 an Flüssigkeit ausgegeben worden ist.
Im Falle eines in 2 dargestellten Flüssigkeitsentnahmeprozesses ist sowohl eine zeitlich abhängige Flüssigkeitsentnahmemenge 27, als auch eine zeitlich abhängige Heizleistung 28 konstant. In diesem Fall lässt sich eine Mischtemperatur der gewünschten Menge 20 an Flüssigkeit unter Berücksichtigung der zeitlich abhängigen Flüssigkeitsentnahmemenge 27 und durch Integration der Flüssigkeitsentnahme-Temperatur-Zeitkurve 24 rechnerisch bestimmen. Zweckmäßig wird diese rechnerische Bestimmung während der Flüssigkeitsentnahme, zwischen dem Startzeitpunkt 19 und Endzeitpunkt 21 der Flüssigkeitsentnahme und in mehreren Zeitintervallen vorgenommen und basierend auf einem jeweiligen Ergebnis wird dynamisch die minimale Flüssigkeitsentnahmetemperatur 23 und/oder die maximal Flüssigkeitstemperatur 22 angepasst, ab dem die Heizeinrichtung 10 wieder eingeschaltet wird, angepasst. Falls sich die zeitlich abhängige Flüssigkeitsentnahmemenge 27 nicht konstant verhält, muss dies ebenfalls rechnerisch, zum Beispiel durch Integration einer Kurve der zeitlich abhängigen Flüssigkeitsentnahmemenge 27 berücksichtigt werden.
In einer weiteren Ausführungsform wird die in dem Heizkanalabschnitt 3 befindliche Heizeinrichtung 10 entsprechend 3, in drei oder mehrere Heizsegmente 29, 29', 29'' unterteilt. Eine solche dreiteilige Segmentierung der Heizeinrichtung 10 besonders an, wenn die Heizeinrichtung 10 aufgrund ihrer sehr großen Leistung mit drei Netzphasen, also mit Starkstrom, betrieben werden muss. Es ist eine aus mehreren Heizsegmenten 29, 29', 29'' ausgebildete Unterteilung der Heizeinrichtung 10 auch dann sinnvoll, wenn die Heizsegmente 29, 29', 29'' abhängig oder unabhängig voneinander schaltbar sein sollen. Unterstützt durch mehrere Temperatursensoren 30, 30', 30'', 30''' vor und nach den Heizsegmenten 29, 29', 29'' lässt sich ein Temperaturgradient im Heizkanalabschnitt 3 entlang der Fließrichtung 31 erzeugen. Die Temperatursensoren 30, 30', 30'', 30''' sind dabei vorteilhaft als Thermistoren, wie zum Beispiel ein NTC- oder PTC-Widerstand, ausgebildet. Mit Hilfe dieser Temperatursensoren 30, 30', 30'', 30''' lässt sich beim Einschalten des Durchlauferhitzers 1 durch eine unterschiedliche Bestromung der Heizsegmente 29, 29', 29'' ein Temperaturgradient simulieren, der einem Temperaturgradienten während einer Dauerentnahme von Flüssigkeit aus dem Durchlauferhitzer 1 gleichkommt. Erst nach einer solchen Aufheizphase, wird die Pumpe 2 gestartet und alle Heizsegmente 29, 29', 29'' gleichmäßig bestromt. Dadurch lässt sich ebenfalls das Anlaufverhalten des Durchlauferhitzers 1 kompensieren. Dabei kann die Heizleistung 13 oder eine Heizleistung pro Länge der Heizsegmente 29, 29', 29'' variierbar sein.
In einer anderen Ausführungsform kann eine Soll-Mischtemperatur einer bestimmten Menge an auszugebender Flüssigkeit durch Hinzu- oder Abschalten von einzelnen Heizsegmenten 29, 29', 29'' erreicht werden. Dabei werden zumindest aufgrund der sensorisch erfassten Ausgabetemperatur 12 einzelne Heizsegmente 29, 29', 29'' hinzu- oder abgeschaltet, so dass sich durch rechnerisch unterstütztes Anpassen der minimalen Ausgabetemperatur 23 und/oder der maximalen Ausgabetemperatur 22 die gewünschte Soll-Mischtemperatur in der ausgegebenen Flüssigkeitsmenge einstellt.

Claims

Verfahren zur Vergleichmäßigung eines Anlaufverhaltens, insbesondere einer Flüssigkeitsausgabetemperatur, eines Durchlauferhitzers (1), insbesondere mit einem Blankheizdrahtsystem in einem Getränkeautomaten, bei dem – ein von einer Heizeinrichtung (10) des Durchlauferhitzers (1) beheizbarer Heizkanalabschnitt (3) und eine sich daran bis zu einer Entnahmeeinrichtung anschließende Ablaufleitung mit mehreren Ablaufleitungsabschnitten von einer Flüssigkeit durchströmt werden, – die Heizeinrichtung (10) des Durchlauferhitzers (1) die Flüssigkeit auf eine gewünschte Solltemperatur aufheizt, und – eine nach jeder Flüssigkeitsentnahme in dem Heizkanal (3) und/oder in der Ablaufleitung verbleibende Restmenge an Flüssigkeit bei einem nachfolgenden Aufheizvorgang berücksichtigt wird
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Heizeinrichtung (10) des Durchlauferhitzers (1) strömende Flüssigkeit unabhängig von einem der nachfolgenden Ausgangsbetriebszustände, – direkt nach dem Einschalten, – während eines Dauerbetriebs, – nach einer Standzeit ohne eine Flüssigkeitsentnahme, auf die gewünschte Solltemperatur aufgeheizt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die den Durchlauferhitzer (1) durchströmende Flüssigkeit über ein Ventil (4) solange in einen Auslauf (9) eingeleitet wird, bis die gewünschte Solltemperatur erreicht ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die den Durchlauferhitzer (1) durchströmende Flüssigkeit über das Ventil (4) und eine Rücklaufleitung (11) solange dem Durchlauferhitzer (1) erneut zugeführt wird, bis die gewünschte Solltemperatur erreicht ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Ablaufleitung nach jeder Flüssigkeitsentnahme, insbesondere mit nicht erhitzter Flüssigkeit, gespült wird, so dass bei einem nachfolgenden Heizvorgang von einem stets gleichen Temperaturniveau gestartet werden kann.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der nachfolgenden Parameter gemessen wird, – die Temperatur der in dem Heizkanalabschnitt (3) und/oder in der Ablaufleitung verbleibenden Restmenge an Flüssigkeit, – ein Temperaturverlauf der Flüssigkeit in dem Heizkanalabschnitt (3) und/oder in der Ablaufleitung während des Heizvorgangs, – ein Volumenstrom der den Durchlauferhitzer (1) durchströmenden Flüssigkeit, woraus eine Mischtemperatur der erwärmten und ausgegebenen Flüssigkeit an der Entnahmeeinrichtung rechnerisch ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Heizkanalabschnitt (3) eine Heizleistung pro Länge variierbar ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizkanalabschnitt (3) mehrere Heizsegmente (29, 29', 29'') aufweist und zumindest zwei beliebige dieser Heizsegmente (29, 29', 29'') während des Heizvorgangs abhängig oder unabhängig voneinander aktiviert werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass vor und/oder nach jedem dieser Heizsegmente (29, 29', 29'') ein Temperatursensor (30, 30', 30'', 30''') angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass durch die in dem Heizkanalabschnitt (3) angeordneten Temperatursensoren (30, 30', 30'', 30''') ein Temperaturgradient des Heizkanalabschnitts (3) gemessen wird und/oder durch die Heizsegmente (30, 30', 30'', 30''') ein Temperaturgradient eingestellt wird.